诺奖得主天野浩:蓝色LED研究经历及LED应用现状与前景

手机屏、室外大屏幕、照明灯……如今LED(发光二极管)因其节能高效,在显示器和照明方面的用途越来越广泛。

而为LED大规模使用奠定最重要一块基石的是日本科学家天野浩、赤崎勇和中村修二。2014年,他们因发明蓝色发光二极管(即蓝色LED)共同获得诺贝尔物理学奖。


♦  左起:赤崎勇、天野浩、中村修二

3月11日下午,名古屋大学教授天野浩在上海科学会堂举办演讲,分享了他发现蓝色LED的经历以及LED的应用现状和前景。

与当时其他致力于发现蓝色LED的科学家相比,天野浩和他的导师赤崎勇选择的是一种不太被人们看好的化合物作为研究方向。他笑言这也许是一种幸运,让他在竞争者不多的道路上赢得了胜利,但研究过程中的艰苦也可想而知。

“当时我还不是特别了解这项研究有多难,一开始想研究LED显示器,是为了方便世人,基于这样的想法才坚持了下来。”

讲座现场有不少来自复旦、同济、交大物理学专业的学生,天野浩最后的告诫语重心长,“如果你在研究过程中有犹豫,希望你能回到自己梦想的出发点,想想自己为什么要做这项研究。”


♦  天野浩

起初研究方向不被看好

20世纪,人类在照明方面使用的主要是白炽灯。这种19世纪末由爱迪生发明的照明工具,原理是将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。可想而知,在白炽灯发光过程中,很大一部分能量都变成热能散发掉了,损耗十分严重。

1960年代美国科学家发明了红色LED。与白炽灯相比,LED发光所需电压低、电流小,发光效率也高出不少,成为新一代照明光源的研究热点。

光的三原色是红、绿、蓝。也就是说,这三种颜色的光混合之后,才能产生白色光。红色LED被发明之后,为了让LED实现商用,发明绿色和蓝色LED就成为科学家研究的重点。

1974年,绿色LED被开发出来。之后,科学家把蓝色LED的研究重点放在了碳化硅(SiC)、硒化锌(ZnSe)和氮化镓(GaN)上。

当时很多人在氮化镓上尝试过以后失败了,把目光投向看似更有希望的另外两种材料上。

但还有人没失去信心,那就是天野浩的老师赤崎勇教授。赤崎勇当时在企业中做研究,氮化镓已经不是蓝色LED研究的热点,很多人劝他不要再做这方面研究了,赤崎勇就把研究转到了名古屋大学。1982年,天野浩本科毕业后进入了赤崎勇工作室,开始接触蓝色LED研发工作。

在一个冷门的材料上投入,没有经费也不被看好,这条研究之路在开始之初就注定崎岖,但天野浩却并不在意,而是一头扎进了艰苦的研究中。

“我有时候觉得这也是一种运气,在这个方向上最后没什么人和你竞争,能够专心去研究。”

蓝色LED发明后,LED照明才成为可能

天野浩回忆,当时蓝色LED的研发有三大难点:一是不能形成高品质的氮化镓结晶,第二是不能做出氮化镓的P型结,第三是制造不出高照度的氮化镓铟晶体。

“当时我考虑如果蓝色LED可以成功,就可以造出全新的显示器,这是可以改变世界的大事。” 天野浩说,自己开始这项研究,最初是抱着造福世界的想法。

进入赤崎勇工作室以后,天野浩和其他学生一起跟着赤崎勇投入氮化镓的研究工作。

当时研究经费非常困难,他们需要的实验装置价格大概在一亿日元,但工作室经费只有270万-310万日元。为了正常开展研究,学生们一起商量自己做实验装置,采用各种“土办法”克服困难。

天野浩展示了一张他们自己制作的实验装置照片,“照片上有个啤酒瓶很重要。实验加热需要用线圈,而线圈大小正好等于啤酒瓶直径,我们是绕着啤酒瓶做线圈的。”

天野浩本科3年、硕士2年都投入在氮化镓的研究上,但完全没看到合成希望。当时家人也并不支持他“死磕”这项研究,已经停掉了他的学费,好在他获得奖学金,才可能继续博士课程。

在硕士最后一年,天野浩在一次讨论中受到一位老师启发,想到了先在蓝宝石衬底上制作低温缓冲层,然后在这上面制作氮化镓单晶的方法。实验证明这种方法可以做成结晶程度很高的氮化镓结晶,这种优质氮化镓单晶的实现被视为蓝色LED发明的“突破性技术”之一。

此后,天野浩博士期间,赤崎勇工作室又成功做出了P型结。在这些研究基础上,1993年,中村修二成功发明了高亮度蓝色LED,LED在照明和显示器上的应用成为可能。

LED能为节能做出多大贡献

LED能够为节能做出多大贡献?天野浩表示,根据相关统计,如果日本全国普及LED照明,可以节电7%。

这种节电便携的照明设备对保护地方文化也有很大帮助。蒙古还有不少人保持游牧习惯,没有稳定电源,LED的普及让他们的照明有了很大保障,还可以在帐篷里看电视。

“我听到这一点非常高兴。LED可以照亮没有基础设施的世界15亿人。” 天野浩说。

在LED照明和显示之外,天野浩研制出的氮化镓结晶还被用到节能的其他方面。

和照明相比,驱动马达使用的电力更多。日本在电机上100%使用变频器以达到节电目的。但变频器在把直流电转换成交流电的过程中,会有大约5%的能量损耗,多次转换之后,大约有四分之一的能量会被损耗。

天野浩表示,将变频器中的硅这种半导体材料改为氮化镓后,尺寸上能做到硅的十分之一,损耗也可以降低到原来的十分之一。名古屋大学的研究证实,这种方法普及可以节省日本用电的10%。

关于未来社会,日本内阁府设想是“超智能化社会”,是用大数据方式实时处理数据并实时反馈,“大量信息传送需要把频率提高,能够把传输频率提高的也是氮化镓材料。”

此外,天野浩还参与研制了深紫外线LED,这种LED也是以氮化镓为原料制成。杀灭大肠杆菌达到99.9%。

“据联合国统计,全世界6.63亿人无法用到安全饮用水,24亿人没条件使用卫生的厕所。紫外线LED可以为这些人用到干净的水做贡献。”

“做科学研究目的应该是为了造福全世界人民”

诺奖颁发有一定滞后性,一项研究成果要经过时间沉淀证明其价值才会得到诺奖肯定。

在蓝色LED发明后21年,LED作为一种新型能源被大规模使用。2014年,赤崎勇、天野浩、中村修二因为在蓝色LED上作出的贡献分享了诺贝尔物理学奖。颁奖词写道,“蓝光LED的出现使得我们可以用全新的方式创造白光。随着LED灯的诞生,我们有了更加持久、更加高效的新技术来替代古老的光源。”

天野浩说自己获诺奖完全是意料之外,诺贝尔奖公布时他正从名古屋飞往法兰克福,甚至完全没有关注这件事。很多得到消息的日本人在机场等待他,走出机场的天野浩以为他们在等待一个演艺界人士,完全不当回事地走过去了,结果被一位记者叫住了。

“这是我第一次听到自己得奖,非常吃惊。”

天野浩表示,得奖是非常开心的事情,但没有研究者是为了获奖而研究。自己学生时期,每年365天中364天在研究室,只有过年那天在家。从早上10点做研究到半夜两三点,除了吃饭都不停止,“不是没有时间做其他事情,是不想做,因为研究太有乐趣了。”

他反复提及科学研究者做研究工作,目的应该是为了造福全世界人民。“最近有报道说世界最富有的8个人所占有的财产大概相当于世界一半穷人的财产,科学研究不是为这样的人工作的,我坚定相信这一点。最近恐怖主义经常成为话题,基尼系数也是1980年代开始急剧变化,我认为技术和科学是消除这种不好现象的最好工具。”




来源:澎湃新闻网

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